一种基于AHP的海上待泊区动态编排算法*

何 红， 张 辉

(1.南京莱斯网信技术研究院有限公司水上交通业务部，江苏 南京 210000； 2.中国电子科技集团公司第二十八研究所海军部，江苏 南京 210007)

引 言

在船舶交通领域，若进出港船舶较多而港口的泊位数量有限时，会导致海上船舶通航效率低，同时也容易引发海上险情事故。为保障海上安全形势稳定，提高船舶进出港交通效率，海事局和港口部门通过对港口通航环境、交通流、船舶通航效率等多方面综合分析，研究建立了港前待泊区，并投入到船舶进出港交通组织的实际应用中。待泊区是指船舶进港前临时等待的水域，船舶进港前可以先在待泊区水域等候，等到可以进港时直接从待泊区进港，大大缩短了进港时间，提高了海上船舶的通航效率。

船舶若要使用待泊区需要提前进行申请，由船舶或船舶代理公司在本航次有效靠泊计划前6小时进行申请，指挥中心进行审批和编排。船舶需要听从指挥中心的指令，需获得指挥中心审批编排之后方可使用待泊区，禁止擅自进出待泊区。船舶提交待泊区使用申请后，指挥中心对接收到的所有待泊区使用申请进行审批和智能编排，根据编排结果来确定哪些申请待泊区的船舶可以最先使用待泊区。为充分发挥待泊区的功能效用，保证海上船舶的通航效率和海上安全，需要高效智能的编排算法对待泊区申请进行实时编排。

根据海事交管部门和港口部门对待泊区使用的相应规定，待泊区使用时主要考虑四个方面：采取引航措施的船舶优先、港方重点推荐船舶优先、锚泊距离较远的船舶优先、载重吨较大的船舶优先。因此，在对所有进出港船舶的待泊区申请进行智能编排的过程中，将上述四个因素作为此次待泊区编排算法的四个主要影响因素。针对这类港口资源的调度决策问题，可以采用遗传算法[1]来实现，可以采用多因子动态加权方法来解决[2],同时它更是一个多元决策问题，可以采用AHP层次分析法来解决[3-4]。

基于AHP(层次分析法)的待泊区动态编排算法中，首先需要确定各影响因素，建立各影响因素的隶属度函数，然后确定各个影响因素的权系数，最后将各个影响因素的权系数与各影响因素取值进行加权求和获得综合隶属度函数取值。对综合隶属度函数取值进行降序排序，并结合待泊区的数量和使用情况，进行待泊区的自动分配，进而完成待泊区申请的动态智能编排。

1 各影响因素的隶属度函数的建立

隶属度函数是指依据各类评价因素的特征，确定评价值与评价因素值之间的函数关系。根据港口部门对待泊区使用的相应规定，待泊区使用时主要考虑的四个方面作为此次待泊区编排算法的四个主要影响因素。下面依次建立各个因素的隶属度函数。

1)“是否采取引航措施”因素的隶属度函数

引航措施的采取为是或否，因此隶属度函数为

(1)

2)“是否港方重点推荐船舶”因素的隶属度函数

是否港方重点推荐船舶的隶属度函数为

(2)

3)“锚泊距离”因素的隶属度函数

“锚泊距离”是指船舶锚泊位置与基准标地物的距离。根据港口部门相应规定，待泊区使用申请的适用范围为“锚泊位置距离基准标地物6海里及以上”。在待泊区申请的编排过程中，锚泊位置较远者优先使用。

结合考虑现场实际情况，当船舶锚泊距离在12海里之内，锚泊位置较远者优先使用待泊区；但当船舶锚泊距离超过12海里，锚泊距离对待泊区申请编排的影响很微小；当船舶锚泊距离超过16海里时，则即使该船舶申请待泊区也不再考虑锚泊距离对编排效果的影响。

因此，假定船舶锚泊距离为d(单位海里)，“锚泊距离”因素的隶属度函数为

(3)

4)“载重吨”因素的隶属度函数

“载重吨”是指该船舶本航次承载货物的总吨数。根据港口部门相应规定，待泊区申请的适用范围为“船舶载重吨在7万吨及以下”。在待泊区申请的编排过程中，载重吨较大者优先使用。

因此，假设船舶载重吨为w(单位吨)，“载重吨”因素的隶属度函数为：

(4)

建立了以上四个因素的隶属度函数后，对于某一次船舶的待泊区使用申请，其编排综合隶属度函数为

μ=λ1μ1+λ2μ2+λ3μ3+λ4μ4

(5)

式中λi为因素μi的权系数，μ为综合隶属度函数的取值，即用于确定最后编排结果的参考值。

2 各影响因素权系数的设定

各个因素的权系数λi的设定实际是一个多元决策问题，采用层次分析法求取权系数。层次分析法求取权系数主要包括判断矩阵的构造和权系数的计算。下面通过层次分析法来求取各个影响因素的权系数λi，其具体步骤如下：

1)判断矩阵的构造

构造诸因子的判断矩阵是层次分析法的出发点。所谓判断矩阵就是根据实际情况并征询专家意见，对诸因子的相互重要性给出评判，将评判结果用数值表示出来，写成矩阵形式

AB1…Bj…B4B1b11…b1j…b14︙Bibi1…bij…bi4︙B4b41…b4j…b44

其中，bij表示判断矩阵中影响因子Bi对Bj的相对重要性，且对判断矩阵A有

(6)

根据上述原则，综合实际情况得出判断矩阵A如下：

判断矩阵A引航措施港方推荐锚泊距离载重吨引航措施11.21.5x1.8港方推荐5611.25x1.5锚泊距离23x45x165x载重吨59235x61

其中,x为锚泊距离的函数，表示锚泊距离因素的隶属度函数的权系数与锚泊距离有关，是动态可变的，可表示为

(7)

2)一致性检验

3)权系数的计算

因为判断矩阵A满足完全一致性，因此，求取判断矩阵A的诸因子的排序向量问题可以归为计算矩阵A的特征根和特征向量问题。求解判断矩阵A的特征向量得到其特征向量值为

(8)

得到判断矩阵A的特征向量λ之后，即得到了各影响因素的权系数λi，进而可以得到各因素的权系数与各因素隶属度函数取值的加权求和值。

3 动态智能编排

结合式(1)-(4)这四个隶属度函数和式(8)的权系数，可求得式(5)中的μ综合隶属度函数取值,再对各个申请船舶的综合隶属度函数值μ进行降序排序，同时结合现有待泊区数量，进行待泊区的自动分配并将分配结果进行展现，供海事局值班员进行分配确认。同时，等待固定时间间隔后(如3min)进行重新计算和结果展示，进而完成所有待泊区申请船舶的实时动态编排，编排算法的具体流程如图1所示。

图1 动态智能编排流程示意图

3.1 单个船舶的μ值的计算

结合图1，一个船舶的待泊区申请中提供了申请船舶的锚泊位置、载重吨、是否采取引航措施和是否重点船舶等信息。首先，根据其锚泊距离d并结合式(7)就可以求得变量x的取值，根据变量x的取值并结合式(8)就可以求得到特征向量λ。特征向量λ的取值确定了各因素的权系数λi的取值，再根据式(1)-(4)求解出各因素的隶属度函数的取值μi，结合式(5)将λi和μi进行加权求和后，即可得到该申请船舶的综合隶属度函数μ的取值。

3.2 根据μ值和待泊区数量进行自动分配

计算完所有待泊区申请船舶的综合隶属度函数值μ，对μ值进行降序排序，同时结合已有的待泊区数量，进行待泊区的自动分配，一个待泊区可容纳两个申请船舶，自动分配后即生成了该时刻所有待泊

区申请船舶的自动编排结果，对编排结果进行展现，供海事局值班员进行分配确认。海事局值班员可以根据编排结果视情对某些待泊区船舶进行待泊区的分配的确认。

3.3 实时动态编排

等待固定时间间隔后(如3min)，再次自动获取当前时刻的所有待泊区申请船舶，其中包括该时间间隔内新增的待泊区申请船舶和去掉海事局值班员已经确认分配了待泊区的申请船舶，对各个申请船舶的综合隶属度函数值μ进行计算和降序排序，结合剩余的待泊区数量，进行待泊区的自动分配，即可完成新一轮的所有待泊区申请船舶的编排，将编排结果展现供海事局值班员进行分配确认。依次类推，等待固定时间间隔后继续进行待泊区的动态编排。

通过上述方式，即可完成所有待泊区申请船舶的实时动态编排。

4 结束语

采用基于AHP的待泊区动态编排算法，能够满足水上交通领域中船舶待泊区申请的实时动态智能编排需求，将传统的人工编排方式向高信息度集成的智能自动化编排方式转化，具有编排过程高效、编排结果精准等优点。该算法已经运用于河北秦皇岛港的港口交通组织平台中，秦皇岛港目前设置了3个港前待泊区，算法的实际运用效果良好。

同时，该算法还能应对编排因素多变的特点，结合各个港口的实际情况和独特特征，对不同影响因素进行个性化配置，大大提升用户体验。